Моделирование показывает, что снижение оценок атмосферного трения улучшает прогнозы штормов

Ураганы и другие экстремальные погодные явления дорого обходятся жизням и деньгам. По оценкам NOAA, с 1980 по 2023 год погодные и климатические катастрофы нанесли ущерб в США на сумму около 2,6 триллиона долларов. Только в 2022 году в США произошло 18 стихийных бедствий, каждая из которых обошлась в 1 миллиард долларов и более. Хуже того, ураганы в США с 2000 по 2021 год унесли почти 2000 жизней. Поскольку изменение климата продолжает усиливать эти штормы, точное прогнозирование становится все более важным.

«Усовершенствованные прогнозы ураганов потенциально могут спасти миллионы долларов и множество жизней, предоставляя более точные прогнозы ураганных ветров и наводнений. [A better understanding of these storms] обещает улучшить планирование эвакуации, но также может информировать службы экстренной помощи прогнозами, необходимыми для более эффективного реагирования», — говорит Мостафа Момен из Университета Хьюстона.

Аспирант Хьюстонского университета доктор Мурад Хоссейн Хондакер, работая со своим консультантом, доцентом кафедры гражданского и экологического строительства Мостафой Моменом, хотел лучше понять, как атмосферное трение влияет на силу штормов и численные прогнозы.

Для изучения этой проблемы команда получила доступ к суперкомпьютеру Bridges-2 Питтсбургского суперкомпьютерного центра (PSC). Они получили время для работы в системе благодаря выделению от ACCESS, сети суперкомпьютерных ресурсов NSF, в которой PSC является ведущим участником.

В основе исследования команды лежит новый подход к пониманию того, как действуют ураганы. Хотя энергия Солнца в низких широтах может накачивать энергию штормов, делая их более интенсивными, сама атмосфера сопротивляется этому за счет трения. Но степень этого трения и его влияние на силу штормов плохо изучены. Хондакер задавался вопросом, как изменение предполагаемого трения или диффузии повлияет на предсказания.

Масштаб и сложность этого исследования потребовали значительных вычислительных ресурсов для обработки огромных наборов данных. Bridges-2 сыграл важную роль, обеспечив более 300 000 часов работы процессорных ядер, а также производительность своих 16 узлов «обычной памяти» с большим объемом оперативной памяти. Каждый из этих узлов имеет по 512 гигабайт оперативной памяти, что в восемь раз больше памяти, чем у высококлассного ноутбука.

«Моделирование 17-дневного урагана Ирма с восьмикилометровым горизонтальным разрешением заняло около 22 часов с использованием 128 процессоров. Проведя гидрологическое моделирование, мы показали, что эта новая корректировка также улучшает прогнозы наводнений в регионах, подверженных ураганам. д., поскольку недавние ураганы, такие как «Катрина», «Харви» и «Мария», по оценкам NOAA, привели к более чем 400 миллиардам долларов общих скорректированных затрат», — говорит Момен.

Уменьшив диффузию в своих симуляциях Bridges-2, исследователи сделали поразительное открытие. Скорректированные компьютерные модели значительно повысили точность прогнозов интенсивности ураганов. Это улучшение также распространилось на прогнозирование осадков, вызванных ураганами, что является критическим фактором в прогнозировании рисков наводнений в уязвимых районах.

Скорректированная модель позволила сделать прогнозы интенсивности ураганов более точными на 40 процентов по сравнению с погодными моделями по умолчанию. Еще одним неожиданным открытием стало то, что более сильные ураганы не обязательно приводят к увеличению общего количества осадков, а скорее к более локализованным и сильным осадкам. Это понимание особенно актуально для городских территорий, где концентрированные осадки могут привести к катастрофическим наводнениям, как это произошло во время урагана Харви в Хьюстоне.

Команда Университета Хьюстона опубликовала свои результаты в журнале Журнал гидрометеорологии в августе 2024 года.